Vědci v laboratoři vytvářejí pevnou krystalickou formu elektronů

Vědci z ETH Zurich vytvořili krystal vyrobený výhradně z elektronů. Struktury byly teoretizovány po desetiletí, ale toto je poprvé, kdy byly experimentálně potvrzeny v laboratoři.

Normálně se elektrony chovají víceméně jako kapalina, která volně proudí materiálem. Ale v roce 1934 teoretický fyzik Eugene Wigner předpověděl, že skupina elektronů může za specifických podmínek krystalizovat do pevné formy a vytvořit fázi nyní známou jako Wignerův krystal.

Aby se tak stalo, je třeba dosáhnout správné rovnováhy mezi dvěma silami, které ovlivňují elektrony: jejich elektrostatickým odpuzováním a jejich pohybovou energií. Ten druhý je silnější efekt, který způsobuje, že elektrony náhodně odskakují, ale pokud by to bylo možné dostatečně snížit, navrhl Wigner, pak by odpuzování mohlo převzít a uzamknout elektrony do jednotné mřížky.

Ale ukázalo se to složitější, než to může znít. Hustota elektronů musí být snížena za určitý bod, musí být uzavřeny v „pasti“ a musí být ochlazeny téměř na absolutní nulu, aby se snížil vnější vliv na jejich pohyb.

Nyní vědci z ETH Zurich zaškrtli všechny tyto požadavky, aby vytvořili Wignerův krystal. K omezení elektronů použili plát diselenidu molybdenu o tloušťce jednoho atomu, který účinně omezil jejich pohyb na dva rozměry. Aby tým řídil počet elektronů v tomto polovodiči, vložil tento materiál mezi dvě grafenové elektrody a použil opatrné napětí. Nakonec byl celý systém ochlazen téměř k absolutní nule.

A zcela jistě se objevil Wignerův krystal. Ale pozorovat to byla úplně jiná výzva – problém je v tom, že vzdálenost mezi elektrony je tak malá, kolem 20 nanometrů, že ji mikroskopy ani nevidí. Předchozí studie, které se pokoušely vytvořit Wignerovy krystaly, se k jejich detekci musely spoléhat na nepřímé metody, jako jsou změny proudu.

Pro novou studii tým použil novou metodu. Vyzařovaly světlo na materiál s určitou frekvencí, aby excitovaly to, čemu se v polovodiči říká „excitony“, které vyzařují světlo zpět. Pokud jsou přítomny Wignerovy krystaly, měly by se excitony jevit jako papír, když odrážejí světlo zpět.

„Skupina teoretických fyziků vedená Eugenem Demlerem z Harvardské univerzity, který se letos stěhuje na ETH, teoreticky vypočítala, jak by se tento efekt měl projevit v pozorovaných excitačních frekvencích excitonů – a přesně to jsme pozorovali v laboratoři. “ říká Ataç Imamoğlu, hlavní autor studie.

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: ETH Zurich